Omówimy pokrótce zasadę działania silników elektrycznych opartą na wirującym polu magnetycznym (silniki asynchroniczny i synchroniczny) oraz zasadę pracy silnika komutatorowego.

Wspólną cechą silników asynchronicznego i synchronicznego jest budowa nieruchomego elementu, zwanego stojanem, wyposażonego w uzwojenia, przez które płynie prąd przemienny. Różnią się one budową elementu obracającego się, zwanego rotorem.

Wyobraźmy sobie stojan silnika mający cztery uzwojenia połączone szeregowo parami: $xx´$ i $yy´$ (il. 6.18). Jeżeli prąd przemienny płynie tylko przez uzwojenie $yy´$, to w pewnej chwili wektor indukcji pola magnetycznego $\overrightarrow{B}$ jest skierowany tak, jak na rysunku. Po pewnym czasie prąd zmienia zwrot na przeciwny, zmieni się więc na przeciwny zwrot wektora $\overrightarrow{B}$. Wartość wektora $\overrightarrow{B}$ będzie się zmieniać wraz ze zmianami wartości natężenia prądu w uzwojeniu. Innymi słowy, wektor $\overrightarrow{B}$ będzie wykonywał drgania harmoniczne z taką samą częstością jak prąd. Gdy prąd przemienny płynie tylko przez uzwojenie $xx´$, to drgania wektora $\overrightarrow{B}$ będą występowały wzdłuż kierunku $xx´$.

Jeżeli oba uzwojenia – $xx´$ i $yy´$ – połączymy równolegle, to możemy przyjąć, że w tych uzwojeniach nie będzie przesunięcia fazowego między drganiami prądu. To znaczy, gdy w jednym uzwojeniu natężenie prądu będzie miało wartość zero, to i w drugim wystąpi prąd zerowy; jeżeli w jednym uzwojeniu prąd będzie maksymalny, to i w drugim będzie maksymalny. Ponadto w każdej innej chwili natężenie prądu w obu uzwojeniach narasta jednocześnie i maleje jednocześnie. Zatem wypadkowy wektor indukcji pola magnetycznego ma kierunek wzdłuż dwusiecznej kąta między kierunkami $xx´$ i $yy´$ i wykonuje drgania harmoniczne.

Jeżeli jednak w jednym z uzwojeń prąd będzie przesunięty w fazie o $\phi =\frac{\pi }{2}$ (można to osiągnąć przez włączenie do tego uzwojenia odpowiednio dobranego kondensatora), to składowe wektora $\overrightarrow{B}$ nie będą zmieniać się jednocześnie, ale wystąpi między nimi takie samo przesunięcie fazowe – o $\frac{\pi }{2}$. W wyniku tego wektor wypadkowy będzie się obracał z częstością równą częstości drgań prądu. Powstanie wirujące pole magnetyczne. Na il. 6.19a-f przedstawiono kolejne fazy drgań prądu w uzwojeniach $xx´$ i $yy´$ i odpowiadający im kierunek oraz zwrot wektora indukcji $\overrightarrow{B}$.

Mamy tu przypadek składania dwóch drgań prostopadłych. Koniec wektora porusza się po okręgu. Występuje pełna analogia do drgań mechanicznych – punkt materialny pobudzony jednocześnie do drgań prostopadłych o jednakowych amplitudach przesuniętych w fazie o $\frac{\pi }{2}$ porusza się po okręgu.

Silnik synchroniczny

Z pewnością znasz takie doświadczenie: gdy do igły kompasu zbliżymy biegun magnesu i będziemy zataczać nim koła, wówczas igła zacznie się kręcić, podążając za biegunem magnesu. Podobny wynik otrzymamy, gdy zamiast ruchomego magnesu zastosujemy wirujące pole magnetyczne opisane wyżej. Wyobraźmy sobie, że na il. 6.19 w miejscu wypadkowego wektora $\overrightarrow{B}$ znajduje się magnes stały (odpowiednik igły magnetycznej), spełniający rolę rotora. Magnes ten będzie wirował; mógłby on zostać połączony przekładnią z jakimś urządzeniem, które ma się obracać. Oto w uproszczeniu idea pracy silnika synchronicznego. Trzeba zaznaczyć, że w praktyce rotorem jest kolejne uzwojenie, mogące się obracać, zasilane prądem stałym.

Silnik asynchroniczny

Rotor, w postaci uzwojenia opisanego powyżej, nie musi być zasilany prądem z zewnątrz. Pole magnetyczne stojana, wirujące wokół tego uzwojenia, wzbudzi w nim przepływ prądu indukcyjnego. Ten prąd spowoduje, że rotor zacznie się coraz szybciej obracać, „doganiając” niejako wirujące pole magnetyczne stojana. Gdy prędkość kątowa rotora zbliży się do prędkości kątowej stojana, efekt indukcyjny osłabnie i rotor przestanie przyspieszać. Jest to możliwe tylko przy bardzo niewielkim (modelowo – zerowym) obciążeniu silnika; taki stan silnika nazywamy jego biegiem jałowym.

Jeżeli jednak silnik pracuje pod obciążeniem, wykonując pracę, to wirnik jest hamowany i obraca się wolniej niż pole magnetyczne stojana. Tym wolniej, im większe jest obciążenie silnika. Zatem częstość wirowania wirnika jest inna niż w przypadku magnetycznego pola wirującego. Dlatego właśnie te silniki noszą nazwę silników asynchronicznych.

Silnik komutatorowy

Komutatorem na rysunku są dwa półkoliste styki, do których dotykają szczotki doprowadzające prąd przemienny. Takie zasilanie ramki sprawia, że co pół obrotu zmienia się w niej kierunek przepływu prądu, niezależnie od zmian spowodowanych zmianą znaku napięcia zasilającego. Dzięki temu moment sił obracających ramkę utrzymuje stały zwrot. Stąd nazwa silnik komutatorowy. Silniki tego typu spotykamy na co dzień w takich urządzeniach, jak: suszarka do włosów, golarka elektryczna, wentylator itp.

Pytania i problemy

1. Przedstaw na schematycznych rysunkach zasadę tworzenia wirującego pola magnetycznego.
2. Opisz krótko zasadę działania silnika asynchronicznego. Skąd pochodzi jego nazwa?
3. Opisz krótko zasadę działania silnika komutatorowego.